Wie funktioniert eine Turbomolekularpumpe?
Eine Turbomolekularpumpe sieht aus wie ein Triebwerksverdichter, arbeitet aber in einem Bereich, in dem sich Gasmoleküle kaum noch begegnen. Schnell drehende Schaufeln treffen einzelne Moleküle und stoßen sie Stufe für Stufe in Richtung Auslass.
Schritt für Schritt
- Molekularströmung. Unterhalb von etwa 10⁻³ mbar ist die mittlere freie Weglänge des Gases größer als die Spalte in der Pumpe. Jedes Molekül fliegt für sich und prallt zwischen Oberflächen hin und her, statt mit anderen Molekülen zu stoßen.
- Rotorstufe. Schräg gestellte Rotorschaufeln mit 20.000–90.000 min⁻¹ erreichen Umfangsgeschwindigkeiten von einigen hundert m/s, ähnlich den Molekülen selbst. Ein Molekül, das eine Schaufel trifft, fliegt bevorzugt nach unten weiter.
- Statorstufe. Feststehende, entgegengesetzt geneigte Statorschaufeln reichen die Moleküle an die nächste Rotorstufe weiter und erschweren das Zurückprallen nach oben.
- Viele Stufen in Reihe. Zehn oder mehr Rotor-Stator-Paare vervielfachen die Kompression. Obere Stufen sind offen für hohes Saugvermögen, untere enger für hohe Kompression.
- Vorpumpe. Am Auslass liegt der Druck noch bei etwa 10⁻² bis 10 mbar, deshalb muss eine Vorpumpe – etwa eine Scroll-, Membran- oder Drehschieberpumpe – das Gas abführen.
Leichte Gase sind die Schwachstelle: Wasserstoff und Helium bewegen sich so schnell, dass die Schaufeln ihnen relativ wenig Impuls geben; ihr Kompressionsverhältnis ist viel kleiner als bei Stickstoff. Im UHV besteht das Restgas deshalb oft überwiegend aus Wasserstoff.
Druckbereich und Leistung
- Enddruck
- ≈ 10⁻⁹ – 10⁻¹⁰ mbar (in ausgeheizten UHV-Anlagen tiefer)
- Saugvermögen
- 10 – 4.000 l/s
- Arbeitsbereich
- ≈ 10⁻² mbar bis UHV, mit Vorpumpe
- Trocken?
- Ja — kein Öl im Gasweg
Vorteile
- Sauberes, ölfreies Hochvakuum
- In wenigen Minuten betriebsbereit
- Großer Bereich von 10⁻² mbar bis UHV
- Keine Kryomedien, keine Regeneration
Grenzen
- Braucht immer eine Vorpumpe
- Empfindlich gegen Stöße, plötzliches Belüften und Partikel
- Geringere Kompression für Wasserstoff und Helium
- Höherer Anschaffungspreis
Typische Anwendungen
- Massenspektrometer und Analysegeräte
- Elektronenmikroskope (REM/TEM)
- Dünnschichtabscheidung und Beschichtung
- Helium-Lecksucher
- Forschungs- und UHV-Anlagen
Passende Rechner
Quellen & weiterführende Literatur
- K. Jousten (ed.). Handbook of Vacuum Technology, 2nd ed.. Wiley-VCH (2016). Standardwerk zu Gasströmung, Leitwerten, Pumpen und Messtechnik.
- J. F. O’Hanlon & T. A. Gessert. A User’s Guide to Vacuum Technology, 4th ed.. Wiley (2023). Praktische Auslegung von Vakuumsystemen, Abpumpen und Ausgasen.
- CERN Accelerator School. CAS Vacuum for Particle Accelerators, Glumslöv, Sweden, 2017 — proceedings. CERN, free to read. Aktuelle Vorlesungen zu Werkstoffen, Pumpen, Messtechnik und Lecksuche.
Häufige Fragen
Warum braucht eine Turbomolekularpumpe eine Vorpumpe?
Sie arbeitet nur in Molekularströmung und hat ein begrenztes Kompressionsverhältnis, kann das Gas also nicht bis auf Atmosphärendruck verdichten. Eine Vorpumpe hält den Auslass bei etwa 10⁻² bis 10 mbar.
Wie schnell dreht eine Turbomolekularpumpe?
Typisch mit 20.000 bis 90.000 min⁻¹, je nach Größe – kleine Pumpen drehen schneller. Die Schaufelspitzen erreichen einige hundert Meter pro Sekunde.
Kann eine Turbopumpe bei Atmosphärendruck starten?
Nein. Der Behälter muss zuerst von der Vorpumpe vorevakuiert werden, typisch unter etwa 1 mbar, bevor die Turbopumpe hochläuft. Belüften bei voller Drehzahl kann sie beschädigen.
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